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非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计

张帆 李景林 孙斌 张军 王书新

张帆, 李景林, 孙斌, 张军, 王书新. 非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计[J]. 中国光学, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
引用本文: 张帆, 李景林, 孙斌, 张军, 王书新. 非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计[J]. 中国光学, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
ZHANG Fan, LI Jing-lin, SUN Bin, ZHANG Jun, WANG Shu-xin. Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization[J]. Chinese Optics, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
Citation: ZHANG Fan, LI Jing-lin, SUN Bin, ZHANG Jun, WANG Shu-xin. Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization[J]. Chinese Optics, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463

非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计

doi: 10.3788/CO.20160904.0463
基金项目: 

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目 No.863-2-5-1-13B

详细信息
    通讯作者:

    张帆(1979-),男,辽宁锦州人,博士,助理研究员,2003年于宁波大学获得学士学位,2008年、2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所分别获得硕士、博士学位,主要从事空间相机光机结构、热设计及仿真分析方面的研究。E-mail:zhangfan@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization

Funds: 

National High-tech R & D Program of China No.863-2-5-1-13B

More Information
  • 摘要: 针对大口径、离轴、非对称结构的空间光学遥感器主动热控功率最小分配的难题,提出一种基于多目标遗传算法的功率优化方法。首先根据空间相机结构建立有限元模型。然后,凭借设计者的经验,根据相机结构特点及大致热分布规律,初步划分热控区域,规划设计变量和目标变量。之后,将设计变量和目标变量代入多目标遗传算法求出Pareto最优解集。最后,在最优解集中选出合适的功率分配代入到仿真模型中进行计算,得到优化后的功率分配及温度场。对某离轴三反空间相机进行了功率优化和地面热平衡试验。经TMG仿真计算,优化后整机波动范围在低温工况和高温工况分别降低了4.76%和35.7%,并且总功耗降低了6.85%。经地面热平衡试验表明,整机温度场温差控制在±0.5℃以内,满足±2℃的指标要求。
  • 图  1  多目标遗传算法框图

    Figure  1.  Diagram of multi-objective genetic algorithm

    图  2  某非对称结构空间光学遥感器热控区域分布图

    Figure  2.  Thermal control area distribution of a space optical remote with non-symmetrical structure

    图  3  常规主动热控设计流程

    Figure  3.  Framework of common active thermal control design

    图  4  稳态温度分布

    Figure  4.  Steady-state temperature distribution

    图  5  多目标优化循环结构

    Figure  5.  Loop structure of multi-objective optimization

    图  6  运算结果中的Pareto解集

    Figure  6.  Pareto set in calculation results

    图  7  优化后低温工况温度分布

    Figure  7.  Cryogenic temperature distribution after optimization

    图  8  优化后高温工况温度分布

    Figure  8.  Temperature distribution under high temperature conditions after optimization

    图  9  热平衡试验装置

    Figure  9.  Thermal balance testing device

    图  10  低温24 ℃工况温度曲线

    Figure  10.  Cryogenic temperature curves at 24 ℃

    图  11  高温16 ℃工况温度曲线

    Figure  11.  Temperature curves of high temperature conditions at 16 ℃

    表  1  相机热控分区

    Table  1.   Thermal control district of cameras

    序号加热区位置
    H1左梁前段
    H2左梁后段
    H3右梁前段
    H4右梁后段
    H5次镜背板
    H6折迭镜背板
    H7支撑板
    H8焦面
    H9遮光罩1
    H10遮光罩2
    H11遮光罩3
    H12遮光罩4
    H13三镜对应背板
    H14主镜对应背板
    H15支撑架1
    H16支撑架2
    H17支撑架3
    H18电控箱
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    表  2  常规方法分区热控功率分配

    Table  2.   Power distribution of common subarea thermal control

    序号设计功率/W
    H18
    H28
    H316
    H416
    H54
    H612
    H76
    H80
    H95
    H105
    H115
    H125
    H1315
    H1416
    H153
    H163
    H173
    H180
    总功率130
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    表  3  设计变量编号及位置

    Table  3.   Designed variable number and location

    编号加热区位置
    H1左梁前段
    H2左梁后段
    H3右梁前段
    H4右梁后段
    H5次镜背板
    H6折迭镜背板
    H7支撑板
    H9遮光罩
    H10三镜对应背板
    H11主镜对应背板
    H12支撑架1
    H13支撑架2
    H14支撑架3
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    表  4  目标变量编号及位置

    Table  4.   Target variable number and location

    编号代表区域节点号目标/℃
    ZJ主镜1205820
    CJ次镜1036820
    SJ三镜1124420
    ZDJ折叠镜1165520
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    表  5  设计变量的约束

    Table  5.   Constraints of the designed variables

    编号上边界/mW下边界/mW
    H11×1065.6×107
    H21×1065.6×107
    H31×1065.6×107
    H41×1065.6×107
    H51×1065.6×107
    H61×1065.6×107
    H71×1065.6×107
    H91×1065.6×107
    H101×1065.6×107
    H111×1065.6×107
    H121×1065.6×107
    H131×1065.6×107
    H141×1065.6×107
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    表  6  整理后的优化结果

    Table  6.   Optimization results after finishing

    编号优化结果
    H17
    H28.3
    H316
    H412.3
    H53
    H610.5
    H76
    H918.2
    H1015.2
    H1115.8
    H123
    H133
    H142.8
    总功率121.1
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    表  7  优化前后稳态分析结果对比

    Table  7.   Results contrast of steady-state analysis before and after optimization

    名称 优化前/℃优化后/℃优化率/%
    低温工况高温工况低温工况高温工况低温工况高温工况
    主镜18.8~19.519.0~19.918.8~19.419.0~19.614.333.3
    次镜18.8~19.020.0~20.118.8~19.020.0~20.100
    三镜20.7~20.920.4~20.720.7~20.820.4~20.65033.3
    折叠镜19.7~20.120.3~20.419.8~20.120.3~20.4250
    整机18.8~20.919.1~21.918.8~20.819.1~20.94.7635.7
    总功耗130 W121.1 W6.85%
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-14
  • 修回日期:  2016-04-28
  • 刊出日期:  2016-08-01

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